学术界捷足先登，哈佛领导的物理学家团队实现可编程最大规模量子模拟器

一支由哈佛-麻省理工学院联合超冷原子中心[1]和其他高校的物理学家组成的研究团队，已经开发出了一种特殊类型的量子计算机，称为“可编程量子模拟器”，该特殊类型量子计算机能够运行256个量子比特，此举标志着向构建大规模量子计算机迈出了一大步。

哈佛量子计划 (HQI) [2]的联合主任、George Vasmer Leverett物理学教授，同时也是本次论文通讯作者之一的Mikhail Lukin[3]表示，这使该领域进入了一个迄今为止无人涉足的新领域，我们正在进入量子世界的一个全新部分。

论文的第一作者，同时也是哈佛大学文理研究生院 (GSAS) 的物理学学生Sepehr Ebadi表示，该量子系统集前所未有的规模和可编程性于一身，属于首屈一指的量子计算机。

图1｜研究人员调配装置中 (来源：Rose Lincoln)

在适当的情况下，量子比特数量的增加，意味着该量子系统可以存储和处理比标准计算机运行所依赖的经典比特多出数倍的信息。

而这个“可编程量子模拟器”能够运行256个量子比特，这256个量子比特能够实现的量子态数量超过了太阳系中的原子数量。

目前，该模拟器已经帮助研究人员观察到几种以前从未在实验中实现过的奇特量子态。不仅如此，研究人员还进行了一项非常精确的量子相变研究，精确到可以成为“磁是如何在量子水平上发挥效用”问题的教科书级示例。

这些实验提供了关于材料特性所依据的量子力学的有力见解，并帮助科学家展示如何设计出具有奇异特性的新材料。

该项目使用了研究人员在2017年开发的一个平台[4]的显著升级版本，该平台能够达到51个量子比特的规模。研究人员可以利用这个比较旧的系统捕获超低温铷原子，并使用光镊将这些原子按照特定顺序排列。

而新的系统则从旧的一维光镊阵列发展成为了二维光镊阵列，将可实现的系统规模从51个量子比特扩展到了256个量子比特。

研究人员可以利用光镊将原子无缺陷排列，并创建可编程的形状，如正方形、蜂窝状或三角晶格，以设计量子比特之间不同的相互作用。

图2｜可以控制和纠缠里德伯原子的420毫米激光器 (来源：哈佛大学)

Ebadi表示，这个新平台的主力是一个叫做空间光​调制器的装置，用该装置塑造一个光学波前，以产生数百个基于单光束的光镊。这些设备本质上与电脑投影仪内部用于在屏幕上显示图像的设备相同，但研究人员将它们改造成了其量子模拟器的关键部件。

光镊最初捕获的原子是随机的，研究人员必须移动原子，将它们排列成目标几何形状。团队使用第二组移动的光镊，将原子拖到他们想要的位置，消除了最初的随机性。激光使研究人员能够完全控制原子量子比特的定位，和它们的相干量子操纵。

这项研究的其他通讯作者包括哈佛大学教授Subir Sachdev和Markus Greiner，他们与麻省理工学院教授Vladan Vuletić一起参与了这个项目，连同来自斯坦福大学、加州大学伯克利分校、因斯布鲁克大学、奥地利科学院和美国量子硬件初创公司QuEra Computing的科学家们。

哈佛大学物理学副研究员、同时也是论文作者之一的Tout Wang表示，构造一台规模更大、性能更好的量子计算机是他们当前的目标，而这一目标也是一场愈演愈烈、人尽皆知的全球竞赛的一部分。

图3｜单个原子经过重新排列后显示为哈佛盾牌图像 (来源：Lukin组)

研究人员目前正致力于通过改进激光对于量子比特的控制从而完善系统，使其更具可编程性。除此之外，他们还在积极探索如何将该系统用于新的应用。

Ebadi表示，这项工作使大量新的科学方向成为可能。利用这些系统，研究人员能做的事情还远远没有达到极限。

这项工作得到了超冷原子中心、美国国家科学基金会 (NSF)、万尼瓦尔·布什学院奖学金 (VBFF)、美国能源部 (DOE)、美国海军研究办公室 (ONR)、美国陆军研究办公室 (ARO) 多学科大学研究计划 (​MURI) 和美国国防部高级研究计划局 (DARPA) 的ONISQ项目 (含噪中等规模量子器件优化项目) 的支持。

 
封面：
哈佛大学Mikhail Lukin组
 
引用：
[1]https://www.rle.mit.edu/mit-harvard-center-for-ultracold-atoms/
[2]https://quantum.harvard.edu/about
[3]https://www.physics.harvard.edu/people/facpages/lukin
[4]https://news.harvard.edu/gazette/story/2017/11/researchers-create-new-type-of-quantum-computer/
 

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